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時間：2022-08-10 04:40:52
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任何一種邏輯功能都可以設(shè)計出一種相應(yīng)的邏輯電路，從這個意義上講，數(shù)字電路是不可勝數(shù)的。教學的重點是教會學生學習方法，而不是死記硬背書本內(nèi)容。就本課程而言，只要能夠根據(jù)需要設(shè)計出符合要求的邏輯電路，也能分析出任何一種給定邏輯電路所具有的邏輯功能即可。因此，組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析方法和設(shè)計方法是本課程的核心內(nèi)容。
2、三個基礎(chǔ)
為更好地學習后續(xù)專業(yè)課程和從事工程技術(shù)工作，數(shù)字電子技術(shù)在教學實踐中必須強化理解和掌握數(shù)制和碼制、邏輯代數(shù)基礎(chǔ)、半導(dǎo)體數(shù)字集成電路的工作原理和特性、組合邏輯電路和時序邏輯電路分析方法和設(shè)計方法等基本原理、基本理論和基礎(chǔ)知識。
二、教學方法實現(xiàn)“三個基于”
2.1基于問題的教學
美國教育家蘇娜丹戴克曾說過：“告訴我，我會忘記，做給我看，我會記住，讓我參加，我就會完全理解?！痹诮虒W實踐中，就要打破“以知識為本位，以灌輸為特征”的傳統(tǒng)教學模式，采取以學生為中心的問題導(dǎo)向型教學方法。教師通過實例、設(shè)疑、示錯等方法導(dǎo)入需要講解的問題，而分析問題和解決問題兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)則由教師引導(dǎo)學生來完成。學生通過思考、查閱資料、討論等方式尋求解決問題的方案，教師最后結(jié)合問題系統(tǒng)講授知識點，使學生對相關(guān)知識點有更加深入地理解。同時，學生的成就感、自信心倍增，學習主動性更強，從而達到良性循環(huán)的效果。通過引導(dǎo)、啟發(fā)，學生自己搭建出具有記憶功能的電路—觸發(fā)器。
2.2基于項目的教學
基于項目的教學強調(diào)的是以學生為中心,強調(diào)小組合作學習,教師引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)。實施步驟分為選定項目、制定計劃、活動探究、作品制作、成果交流和活動評價等六個基本步驟。結(jié)合本課程，就是在課程開始階段,以任務(wù)書的形式給學生下發(fā)一些與課程內(nèi)容結(jié)合緊密的、適合學生研究的課題，如電子搶答器、數(shù)字電子鐘、交通燈控制器、出組車計價器等，學生自由選題、自主組合，通過課程的學習、查閱相關(guān)資料以及與教師的交流討論，利用軟件仿真或硬件焊接制作出課題作品，期末提交研究成果和設(shè)計報告，并進行專題匯報，研究成果作為評定平時成績的重要依據(jù)。
2.3基于資源的教學
基于資源的教學是以學習者的學習活動為中心的教育教學模式，其主要特征是靈活性和自主性。此模式的教學目標是以教會學生學習為主，而不是以傳授知識為主。也就是說，通過基于資源的教學，學生應(yīng)該學會確定學習目標，學會查找的資源的手段和方法，學會如何做讀書筆記，學會評價信息，學會與他人合作交流，學會評價自己的學習進展，學會反映學習過程和成果。目前，校園網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)上數(shù)字電子技術(shù)課程資源較多。通過基于資源的教學，學會查找資源、利用資源，不僅可以克服課堂教學的時空限制，更為開展研究性學習提供了廣闊的平臺。
USB總線微波功率計主要包括USB通信接口、微信號接收檢測電路等內(nèi)容組成，該儀器充分借助數(shù)字電子技術(shù)開發(fā)相應(yīng)軟件系統(tǒng)，從而使得該虛擬儀器有效實現(xiàn)微波功率采集、測量和傳輸功能。USB總線微波功率計中探測器采集到目標微波功率信號后，該設(shè)備中微信號檢測電路芯片就會對目標信號進行去噪、累加、求差值等等處理，并調(diào)整修改信號數(shù)據(jù)固定程度，最后通過USB通信接口將處理完畢信息傳送到上位機，該上位機程序系統(tǒng)就會對該數(shù)據(jù)進行分析處理。鑒于該總線微波功率計充分應(yīng)用了數(shù)字電子技術(shù)中強大信號處理傳輸技術(shù)，使得該功率計不僅小巧易攜帶，操作簡單，PC機適用匹配性強，還具備高精度的測量效果，因此飽受專業(yè)人員喜愛。
（二）雷達接收機上數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用
雷達是軍民兩用的，具備高要求和高標準的高精度電子設(shè)備，而日趨成熟完善的數(shù)字電子技術(shù)也在精密的雷達生產(chǎn)制造過程中起到其中的作用。作為雷達，其主要就是搜尋捕捉目標信號，因此其必須具備強烈的抗干擾性，也就是說雷達信號接收設(shè)備就必須具備靈敏性強、頻段高性能，而數(shù)字接收機就基于這一點順利成功取代了現(xiàn)代雷達中模擬接收器的地位。雷達接受機中數(shù)字接收機高指標的數(shù)字變頻濾波技術(shù)和I/Q解調(diào)技術(shù)充分使得雷達接收器的實用性和精確性得到提高，也充分展現(xiàn)出數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)越性。有此可以看出數(shù)字電子技術(shù)突出的抗干擾、無噪聲、易交換儲存及處理、能夠?qū)⒃O(shè)備集成化、微型化的特性在網(wǎng)絡(luò)信息時代，也會在計算機信號和計算機數(shù)字聯(lián)網(wǎng)方面得到充分應(yīng)用，從促使網(wǎng)絡(luò)通信管理實現(xiàn)智能化和自動化，這都需要數(shù)字電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的綜合支持和發(fā)展。
二、數(shù)字電子技術(shù)未來發(fā)展方向和趨勢
當前網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)加快了全球信息化時代的到來，社會市場發(fā)展需求直接推動了電子技術(shù)行業(yè)的發(fā)展進程，而其中數(shù)字電子技術(shù)更是成為信息時代技術(shù)行業(yè)市場的生力軍，不斷促使經(jīng)濟行業(yè)產(chǎn)業(yè)的更新升級，還使得數(shù)字電子技術(shù)和信息技術(shù)向著更高層次平臺前進，可以說數(shù)字電子技術(shù)是隨著市場需求而不斷發(fā)展進步的，電子技術(shù)數(shù)字化和信息化已經(jīng)成為電子技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展主流，也是當前相關(guān)行業(yè)的普遍共識?，F(xiàn)在我國電子技術(shù)行業(yè)研究專家還在不斷努力研究開發(fā)，進行多角度、多層面的項目實驗和探索，使得我國電子技術(shù)數(shù)字化發(fā)展事業(yè)因為持續(xù)技術(shù)變革和電子產(chǎn)品的大步伐邁進，其發(fā)展速度之快更是空前，現(xiàn)在數(shù)字電子技術(shù)主要研究大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷膽?yīng)用實踐，尤其是模板半導(dǎo)體工藝已經(jīng)達到了深亞微米階段，而集成芯片也實現(xiàn)了千兆位。除此之外，數(shù)字電子技術(shù)其他內(nèi)容器件和系統(tǒng)也得到了前所未有的發(fā)展進步，如其系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可以達到每秒幾十億次，其時鐘頻率也向著千兆赫茲以上進步，這都使得未來集成電路技術(shù)SystemOhaCh5p片上系統(tǒng)化發(fā)展成為必然。在電子設(shè)計方面也面臨著基于電子設(shè)計自動化基礎(chǔ)上的5PGA技術(shù)的應(yīng)用和實踐，這些技術(shù)的進步和突破必將為信息時代創(chuàng)造更多的奇跡。此外，電子技術(shù)領(lǐng)域數(shù)字電子技術(shù)也會逐步將模擬電子技術(shù)特點優(yōu)勢加以引進融合，并開發(fā)研究新型的、性能更好的電子器件，從而提高數(shù)字電子技術(shù)機械零器件的使用效能和壽命，也會間接擴大提高其數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用范圍和效能。例如傳統(tǒng)電位器不僅壽命短，其可靠性和噪聲污染也不盡人意，而數(shù)字電位器集成了電子開關(guān)、線性電阻技術(shù)以及EEROM強烈改善了傳統(tǒng)電位器機械結(jié)構(gòu)，克服了其不利缺陷，有效提高了其性能需求。當前各類已經(jīng)得到廣泛使用的融合數(shù)字、模擬電子技術(shù)的新型電子器件有D類音頻功率放大器、開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器等等已經(jīng)取得了較好的實用效果，而且當前網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)也會新型電子器件的研究開發(fā)提供了一定的助力，相信科學在發(fā)展，人類不斷在進步，數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域也同樣如此，不論是其機械器件還是其系統(tǒng)技術(shù)都在大幅度前進突破從而更好的為社會經(jīng)濟市場服務(wù)。
1.1模塊化電子系統(tǒng)集成系統(tǒng)，包含有電子子系統(tǒng)和電子應(yīng)用系統(tǒng)兩個部分，研制和開發(fā)具有統(tǒng)一標準的電子技術(shù)產(chǎn)品單元是一項十分復(fù)雜且成本高但又非常重要的任務(wù)，電子技術(shù)集成產(chǎn)品主要包括三個方面：現(xiàn)代技術(shù)的集成、加工技術(shù)的集成和企業(yè)管理的集成。電子系統(tǒng)的集成在于建立一系列的標準芯片或者是模塊，是信息、智力、知識密集型技術(shù)，其耗能低，污染少，從電子產(chǎn)品的標準化、系列化帶來的好處也可以肯定，這要通過電子技術(shù)的集成來滿足用戶需要的智能化應(yīng)用系統(tǒng)，規(guī)?；瘜⒔o電子技術(shù)企業(yè)帶來美好的前程，從而更好地開拓新電子技術(shù)領(lǐng)域，使得電子技術(shù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，性能達到最大化。
1.2智能化電子技術(shù)的智能化，是電子技術(shù)具有類似人的智能，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法，并要引入了計算機系統(tǒng)，智能化裝備的基礎(chǔ)是計算機智能技術(shù)，可以依據(jù)一定的程序，進行有效的判斷并能做出決定。模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，自控技術(shù)、計算技術(shù)和精密機械的緊密結(jié)合又使電子產(chǎn)品具有更全面的功能，以求得到更高的控制目標。
1.3網(wǎng)絡(luò)化隨著網(wǎng)絡(luò)成為人們?nèi)粘Ｉ钪蟹浅Ｆ占暗囊环N工具，給人類社會的發(fā)展和生活的進步都帶來了巨大的變革，遠程控制和監(jiān)控技術(shù)也得到迅速發(fā)展，遠程控制的終端設(shè)備本身就是電子技術(shù)產(chǎn)品。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，電子技術(shù)順應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，利用家庭網(wǎng)絡(luò)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化特性更加的明顯，人們只要在家里就可以分享各種高技術(shù)帶來的便利與快樂，電子技術(shù)產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
1.4人性化人性化是電子技術(shù)的一個特性，未來的電子技術(shù)更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，人是電子技術(shù)產(chǎn)品的使用者，電子技術(shù)產(chǎn)品的最終使用對象是人，它們之間的緊密結(jié)合使電子設(shè)備的精度和自動化程度必須達到相當高的水平，賦予了電子技術(shù)需要來滿足人性化的需求，要具有更高級的人類思維能力，只有想不到?jīng)]有做不到的。電子技術(shù)產(chǎn)品不僅要具有最優(yōu)性能，人的智能、情感、人性也顯得越來越重要，特別是對家用機器人，要進行色彩、造型、舒適度等方面的研究，電子技術(shù)產(chǎn)品都是受人類活動的啟發(fā)研制出來的，因此，必須要滿足人們對電子技術(shù)產(chǎn)品人性化需求。
1.5綠色化工業(yè)化給人們帶來高效率的工作和生活環(huán)境，同時又使得地球家園受到污染，危害人類未來的環(huán)境與健康。歐盟和我國相繼了《關(guān)于在電子電器設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令》和《電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法》，從而提高了產(chǎn)品進入市場的準入門檻，對設(shè)計綠色的電子技術(shù)產(chǎn)品，具有遠大的發(fā)展前途，綠色化是電子技術(shù)未來發(fā)展的必然趨勢。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計、制造、使用和銷毀的過程中，都要符合特定的環(huán)境保護和人類健康的要求，報廢電子電氣設(shè)備必須合乎環(huán)境要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害極小，資源利用率極高，才能使科技和環(huán)保實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
二、現(xiàn)代電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用
2.1電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電子技術(shù)是電工技術(shù)中的一個新興技術(shù)，將電子技術(shù)引入電力系統(tǒng)，并獲得廣泛應(yīng)用，對于未來輸電系統(tǒng)的性能也有顯著的影響。應(yīng)用首推應(yīng)是同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，作為電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能；另一領(lǐng)域是交流電動機的變頻調(diào)速，它的應(yīng)用，節(jié)約了可觀的電能。電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)涉及到諸多方面，比如發(fā)電環(huán)節(jié)、配電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等。在電力系統(tǒng)的綜合管理中，主要是將電子技術(shù)運用在抽水蓄電站運用中，通過對水泵水輪機的效率提升，可以有效的促進整個電力應(yīng)用系統(tǒng)在發(fā)電、輸電以及配電運用過程中的綜合效果，在具體的系統(tǒng)環(huán)節(jié)中，每一個系統(tǒng)都不能離開供電技術(shù)的提升，這樣，就需要采用電子電器與電子電力技術(shù)的突破。從電力系統(tǒng)與配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)來看，最需要解決的實際問題，就是要加強供電的可靠性，以此提高整個電能的質(zhì)量。其中，電子裝備主要是用于防止電網(wǎng)的瞬間斷電，因此，在加強可靠性的運用中，最主要局勢突出電能質(zhì)量的控制，改善整個輸電系統(tǒng)的綜合智能，在電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)中，針對發(fā)電機組的設(shè)備運行方式，將電子技術(shù)的應(yīng)用與整個設(shè)備的改善融合在一起，這樣，可以改善整個電氣設(shè)備的運行特征。同時，電子技術(shù)還可以運用到各個變電所，結(jié)合變電所的操作系統(tǒng)模式，全面改善系統(tǒng)的可操作性，在蓄電池充電過程中也可以使用電子裝置?，F(xiàn)代電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，對電力系統(tǒng)起到了非凡重要的作用
筆者認為，同樣是《數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用》課程,在教學內(nèi)容上要有區(qū)分，對于職高的學生而言，學校更應(yīng)注重其實際操作能力的培養(yǎng)和提高。
1.2教學模式有待創(chuàng)新
我國傳統(tǒng)的教學模式是以教師為主、學生為輔，通常是教師講什么，學生就學什么，學生處于較為被動的地位。同時又由于《數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用》這門課本身理論性較強、難度較大從而導(dǎo)致學生缺乏興趣，不愿意自主學習和探索，這樣就很難取得突破。
1.3教學理念急需轉(zhuǎn)變
“應(yīng)試教育”這一理念在我國的學校教育中可謂根深蒂固，雖然高職、本科生的教育強調(diào)學生要自主學習，給學生更多的自由時間，盡可能地讓學生自己去探索和實踐，但仍沒有取得滿意的效果。
1.4理論與實踐相脫節(jié)
目前在我國高校教學中，對實驗教學這一部分的重視程度并不高，主要表現(xiàn)在實驗器材配置較落后、學生參與實驗的積極性不高，多是為了應(yīng)付考試、教師沒有嚴謹?shù)貙嶒炦^程和結(jié)果進行跟進和評估。而受我國傳統(tǒng)教育的影響，教師偏重課堂上的理論教育，學生則多以看書學習為主，理論教學與實踐教學的課時比例分配不合理。從而導(dǎo)致理論與實際相偏離。
1.5考核方式比較單一
大部分高校在進行學生學習效果評估的時候還是以考試為主，將筆試成績、出勤率、實驗課表現(xiàn)三個方面按不同的比例來分配，期末總成績則由三項成績加總而成。顯然由于考核因素太少，這種考核方式存在很大的局限性，因此可以通過增加更多的考核因素來完善考核制度。
2《數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用》課程的改革與實踐之策
2.1傳統(tǒng)教學模式與現(xiàn)代化模式相結(jié)合
現(xiàn)代化的多媒體教學則可以通過制作生動的課件將理論以視頻、動畫、圖片等方式呈現(xiàn)出來，不僅可以活躍課堂氣氛，同時還能讓學生更好的理解教學中的難點、重點，將傳統(tǒng)教學模式與現(xiàn)代教學模式相結(jié)合，學生對知識點理解會相對輕松有效。
2.2項目式教學模式的引入
項目教學法是教師帶領(lǐng)學生在開展一個項目的基礎(chǔ)上，通過實際操作將理論知識傳授給學生的教學模式。該模式主要包括項目的選取、項目模塊化、自主發(fā)揮部分、項目實施及總結(jié)評估幾個部分。
2.3推行校企聯(lián)合教學的模式
學校應(yīng)加強與企業(yè)的聯(lián)系，可以與相關(guān)企業(yè)簽訂實習協(xié)議，安排學生去實習，以提高學生的實踐能力，此外也可聘請企業(yè)高級技術(shù)人才進校開展主題講座，以給學生更多的機會去了解行業(yè)的最新動態(tài)，適當調(diào)整自己的學習方向，逐漸去適應(yīng)企業(yè)的發(fā)展要求。
2.4調(diào)整考核方式
通過引進更多的考核因素，如學生參加科技競賽獲獎、自主做實驗次數(shù)、實習期表現(xiàn)情況等方面，增強考試的公平性、合理性。
2.5多元化學習模式
同一專業(yè)同學可以根據(jù)自身的優(yōu)勢成立學習小組，團隊成員間互相監(jiān)督和幫助，提高學習的積極性。此外還可以通過成立課余興趣小組、舉辦高?？萍几傎惖确绞絹頎I造多元化的學習環(huán)境。
2.6實驗室管理更加人性化
完善實驗室管理,延長實驗室的開放時間，并配備值班教師在必要時指導(dǎo)課余時間自主做實驗的同學。
2.采用問題式教學增強學生主觀能動性
傳統(tǒng)的課堂教學基本上以知識傳授灌輸?shù)姆绞綖橹鲗?dǎo)，對學生的引導(dǎo)啟發(fā)不夠。學生的自主思考機會太少，對其創(chuàng)造性的培養(yǎng)跟不上，這都極大地限制了學生的創(chuàng)造性的自我培養(yǎng)，與素質(zhì)教育的目標是背道而馳的。另外，傳統(tǒng)教學過程中把學生做為被動的接受者，這使得學生沒有機會參與教學，只會人云亦云，缺乏獨立思考。這樣機械的教學模式一方面限制會教師教學風格的發(fā)揮，另一方面更限制了學生個性的培養(yǎng)和發(fā)揮。興趣是最好的老師，我們需要通過培養(yǎng)學生的興趣才能有效地提高教學質(zhì)量，這就對我們進行傳統(tǒng)教學模式的改革提出了要求?？梢酝ㄟ^提問產(chǎn)生課堂互動，從而啟發(fā)引導(dǎo)學生，營造出一種愉快的課堂氛圍。使師生之間充分的互動起來，可以使教師由傳統(tǒng)的傳道授業(yè)形式轉(zhuǎn)化為教學過程的組織者，從而調(diào)動學生的自主學習積極性，使學生能夠主動思考，有利于改善教學效果。對于問題式教學，我們應(yīng)該有針對性地結(jié)合學校的自身特點和具體情況采用這種教學方法，把傳統(tǒng)的知識點講解型轉(zhuǎn)變?yōu)閱栴}導(dǎo)向型，以提高學生的主觀積極性。比如在講授時序邏輯電路之前，提出由觸發(fā)器構(gòu)成加法計數(shù)器的問題，在講授過程中，讓學生帶著問題有所側(cè)重的學習各知識點，并參與問題的討論。
3.加大實驗環(huán)節(jié)提高學生實踐能力
數(shù)字電子技術(shù)課程是一門實踐性很強的課程，該課程不能僅僅只局限于為學生后續(xù)的專業(yè)課學習打好基礎(chǔ)，還應(yīng)培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際，分析完整系統(tǒng)，掌握系統(tǒng)設(shè)計的能力。在教學過程中實驗是一個非常重要的環(huán)節(jié)，通過實驗環(huán)節(jié)的設(shè)置和進行，目的是培養(yǎng)學生的解決實際問題的能力和動手能力。在教學過程中，要使培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際能力的最直接途徑便是加大實驗環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有條件下，在實踐性教學過程中安排的實驗大多都是基礎(chǔ)性實驗，能提高學生動手能力和創(chuàng)新能力的設(shè)計性實驗尤為缺乏。學生僅僅通過基礎(chǔ)性的實驗不能涉及到知識與技術(shù)的前沿，如此一來將不能適應(yīng)現(xiàn)在新技術(shù)發(fā)展的需求。另外，做實驗時只要求學生按步驟機械地操作，將會減弱學生的學習興趣，制約其創(chuàng)造力的培養(yǎng)，也不能很好地鍛煉學生查找資料、安裝調(diào)試等方面的能力。設(shè)計性實驗應(yīng)該考核學生綜合應(yīng)用所學知識的能力。可以選取一些應(yīng)用性的課題，例如十字路通燈控制電路等。要求學生查閱資料、綜合所學，完成實驗方案的自主設(shè)計，選取合適元器件實現(xiàn)電路的功能。另外，EDA技術(shù)的Multisim模擬仿真軟件，提供了多種數(shù)字電子技術(shù)元器件模型，通過實驗環(huán)節(jié)的設(shè)置能夠讓學生很方便地在電腦上完成電路的設(shè)計和調(diào)試，有利于激發(fā)學生的探究和思維能力。
2巧設(shè)教學情境和問題，激發(fā)學生學習興趣，樹立自主學習意識
根據(jù)教學內(nèi)容的難易、重點，向?qū)W生提出要解決的中心課題，要求他們分析問題情境，探索問題的解決方法。筆者講授《數(shù)字電子技術(shù)》中“二值邏輯與基本邏輯運算”時先介紹安全帶報警系統(tǒng)，如圖2所示，然后引到學生思考“什么是與邏輯”，之后了解與運算之后，發(fā)問“如何用與門實現(xiàn)安全帶報警系統(tǒng)”。通過巧設(shè)問題和情境，激發(fā)學生那種強烈的探索欲望，使學生處于一種積極的思維狀態(tài)。對于教材中比較抽象的概念和原理，在教學中要深入淺出，用形象生動的比喻去幫助學生進行分析理解，提高學習興趣，激發(fā)學習熱情。學生沉浸其中，才會學有所思、學有所問、學有所悟、學有所得，才會有新的發(fā)現(xiàn)。要想讓學生沉浸于學習還得發(fā)揮學生的主體作用。凡學生能夠自己探索得出的，決不替代，凡學生能獨立發(fā)現(xiàn)的，決不暗示，盡可能給學生多一點思考的時間。為讓學生深刻理解74HC151七段顯示譯碼器[6]三個輔助端即燈測試輸入、滅燈輸入和鎖存使能輸入端的功能，筆者讓學生根據(jù)74HC151的功能表，分析輸出有字形時對應(yīng)的三個輔助輸入端信號分別是什么，從而得出結(jié)論：燈測試輸入端用于檢查譯碼器本身及顯示器各段的好壞，滅燈輸入端用于將不必要的零熄滅，鎖存使能輸入端由0跳變到1時，輸入碼被鎖存，輸出只取決于鎖存器的內(nèi)容。
3授課要承前啟后，注重教學內(nèi)容的銜接
在教學中關(guān)注知識之間的前后聯(lián)系，了解知識的來龍去脈，可以使我們更好地銜接教學內(nèi)容之間的關(guān)系，形成一個系統(tǒng)的知識鏈；在這一基礎(chǔ)上的教學設(shè)計，能促進學生利用遷移、轉(zhuǎn)化的方法來解決問題，能使我們有效合理地進行教學。一方面注意本課程內(nèi)容的前后銜接，另一方面注意本課程與前后相關(guān)課程的銜接。如講全加器時，可以得出全加和S和進位數(shù)Co的表達式，分別如式（1）和式（2）所示。根據(jù)式（1）、（2）和已經(jīng)學習的半加器知識，由此得到圖3（a）所示的全加器實現(xiàn)電路。同時，引導(dǎo)學生將式（1）和式（2）分別變換成如式（3）和式（4）所示的最小項表達式。進而，讓學生回憶二進制譯碼器74HC138重要應(yīng)用之一，即可以實現(xiàn)給定的組合邏輯函數(shù)。最終，在引導(dǎo)下，學生得出如圖3（b）所示的電路圖，即用已學的74HC138實現(xiàn)全加器的功能。這樣學生開闊了思維，加深了對已學知識的理解。有意點撥前后課程中與本課程相關(guān)的知識點及其應(yīng)用，讓學生認識到電子技術(shù)課程承前啟后的重要作用，激發(fā)學習的興趣和熱情，提高學習的主動性，樹立學好電子技術(shù)課程的信心。
4理論聯(lián)系實際,拓展學生的思維能力
理論教學學生一般感覺枯燥、難學懂。在理論教學的過程中，若能結(jié)合具體實驗案例，則能給予學生感性認識，提高學習興趣，進而通過理論學習上升到理性認識，再到實踐環(huán)節(jié)中，驗證理論，又可促使學生真正理解理論知識，進一步深化理論。對數(shù)字電子技術(shù)的掌握更重要的是能夠通過電路的學習學到一種思維方式，學會一些分析問題和解決問題的方法。邏輯運算是數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)，讓學生理解基本運算是重點也是難點。為此，筆者在講授或運算時，以如圖4所示的“入室盜竊檢測和報警系統(tǒng)”為例講解或運算及或門的應(yīng)用。這樣一來，學生易于理解或運算的本質(zhì)及其應(yīng)用。教學多結(jié)合實際，激勵學生不但要具有堅實的理論基礎(chǔ)而且應(yīng)能夠靈活綜合應(yīng)用來分析和解決問題。
一、近似計算在靜態(tài)分析中的應(yīng)用
在電子技術(shù)中應(yīng)運中，近似計算貫穿其始終。然而，沒有近似計算是不可想象的。而精確計算在電子技術(shù)中往往行不通，也沒有其必要。盡管近似計算會引入一定的誤差，但這個誤差控制得好，不會對分析其它電路產(chǎn)生大的影響。所以關(guān)鍵在于我們?nèi)绾握莆?，特別是如何應(yīng)用近似計算。
在工作點穩(wěn)定電路中的應(yīng)用要進行靜態(tài)分析，就必須求出三極管的基電壓，必須忽略三極管靜態(tài)基極電流。這樣，我們得到三極管的基射電子的相關(guān)過程及結(jié)論。
二、納米電子技術(shù)急需解決的若干關(guān)鍵問題
由于納米器件的特征尺寸處于納米量級，因此，其機理和現(xiàn)有的電子元件截然不同，理論方面有許多量子現(xiàn)象和相關(guān)問題需要解決，如電子在勢阱中的隧穿過程、非彈性散射效應(yīng)機理等。盡管如此，納米電子學中急需解決的關(guān)鍵問題主要還在于納米電子器件與納米電子電路相關(guān)的納米電子技術(shù)方面，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
（1）納米Si基量子異質(zhì)結(jié)加工
要繼續(xù)把現(xiàn)有的硅基電子器件縮小到納米尺度，最直截了當?shù)姆椒ㄊ遣捎猛庋印⒐饪痰燃夹g(shù)制造新一代的類似層狀蛋糕的納米半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。其中，不同層通常是由不同勢能的半導(dǎo)體材料制成的，構(gòu)建成納米尺度的量子勢阱，這種結(jié)構(gòu)稱作“半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)”。
（2）分子晶體管和導(dǎo)線組裝納米器件即使知道如何制造分子晶體管和分子導(dǎo)線，但把這些元件組裝成一個可以運轉(zhuǎn)的邏輯結(jié)構(gòu)仍是一個非常棘手的難題。一種可能的途徑是利用掃描隧道顯微鏡把分子元件排列在一個平面上；另一種組裝較大電子器件的可能途徑是通過陣列的自組裝。盡管，PurdueUniversity等研究機構(gòu)在這個方向上取得了可喜的進展，但該技術(shù)何時能夠走出實驗室進入實用，仍無法斷言。
（3）超高密度量子效應(yīng)存儲器
超高密度存儲量子效應(yīng)的電子“芯片”是未來納米計算機的主要部件，它可以為具備快速存取能力但沒有可動機械部件的計算機信息系統(tǒng)提供海量存儲手段。但是，有了制造納米電子邏輯器件的能力后，如何用這種器件組裝成超高密度存儲的量子效應(yīng)存儲器陣列或芯片同樣給納米電子學研究者提出了新的挑戰(zhàn)。
（4）納米計算機的“互連問題”
一臺由數(shù)萬億的納米電子元件以前所未有的密集度組裝成納米計算機注定需要巧妙的結(jié)構(gòu)及合理整體布局，而整體結(jié)構(gòu)問題中首當其沖需要解決的就是所謂的“互連問題”。換句話說，就是計算結(jié)構(gòu)中信息的輸入、輸出問題。納米計算機要把海量信息存儲在一個很小的空間內(nèi)，并極快地使用和產(chǎn)生信息，需要有特殊的結(jié)構(gòu)來控制和協(xié)調(diào)計算機的諸多元件，而納米計算元件之間、計算元件與外部環(huán)境之間需要有大量的連接。就現(xiàn)有傳統(tǒng)計算機設(shè)計的微型化而言，由于電線之間要相互隔開以避免過熱或“串線”，這樣就有一些幾何學上的考慮和限制，連接的數(shù)量不可能無限制地增加。因此，納米計算機導(dǎo)線間的量子隧穿效應(yīng)和導(dǎo)線與納米電子器件之間的“連接”問題急需解決。
（5）納米/分子電子器件制備、操縱、設(shè)計、性能分析模擬環(huán)境
當前，分子力學、量子力學、多尺度計算、計算機并行技術(shù)、計算機圖形學已取得快速發(fā)展，利用這些技術(shù)建立一個能夠完成納米電子器件制備、操縱、設(shè)計與性能分析的模擬虛擬環(huán)境，并使納米技術(shù)研究人員獲得虛擬的體驗已成為可能。但由于現(xiàn)有計算機的速度、分子力學與量子力學算法的效率等問題，目前建立這種迅速、敏感、精細的量子模擬虛擬環(huán)境還存在巨大困難。
三、交互式電子技術(shù)手冊
交互式電子技術(shù)手冊經(jīng)歷了5個發(fā)展階段，根據(jù)美國國防部的定義：加注索引的掃描頁圖、滾動文檔式電子技術(shù)手冊、線性結(jié)構(gòu)電子技術(shù)手冊、基于數(shù)據(jù)庫的電子技術(shù)手冊和集成電子技術(shù)手冊。目前真正意義上的集成了人工智能、故障診斷的第5類集成電子技術(shù)手冊并不存在，大多數(shù)電子技術(shù)手冊基本上位于第4類及其以下的水平。需要聲明的是，各類電子技術(shù)手冊雖然代表不同的發(fā)展階段，但是各有優(yōu)點，較低級別的電子技術(shù)手冊目前仍然有著各自的應(yīng)用價值。由于類以上的電子技術(shù)手冊在信息的組織、管理、傳遞、獲取方面具有明顯的優(yōu)點。
簡單的說，電子技術(shù)手冊就是技術(shù)手冊的數(shù)字化。為了獲取信息的方便，數(shù)字化后的數(shù)據(jù)需要一個良好的組織管理和提供給用戶的形式，電子技術(shù)手冊的發(fā)展就是圍繞這一過程來進行的。
四、電子技術(shù)在時間與頻率標準中的應(yīng)用
時間和頻率是描述同一周期現(xiàn)象的兩個參數(shù)，可由時間標準導(dǎo)出頻率標準，兩者可共用的一個基準。
1952年國際天文協(xié)會定義的時間標準是基于地球自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期而建立的，分別稱為世界時（UT）和歷書時（ET）。這種基于天文方面的宏觀計時標準，設(shè)備龐大，操作麻煩，精度僅達10-9。隨著電子技術(shù)與微波光譜學的發(fā)展，產(chǎn)生了量子電子學、激光等新技術(shù)，由此出現(xiàn)了一種新穎的頻率標準——量子頻率標準。這種頻率標準是利用原子能級躍遷時所輻射的電磁波頻率作為頻率標準。目前世界各國相繼作成各種量子頻率標準，如（133Cs）頻標、銣原子頻標、氫原子作成的氫脈澤頻標、甲烷飽和以及吸收氦氖激光頻標等等。這樣做后，將過去基于宏觀的天體運動的計時標準，改變成微觀的原子本身結(jié)構(gòu)運動的時間基準。這一方面使設(shè)備大為簡化，體積、重量大減小；另一方面使頻率標準的穩(wěn)定度大為提高（可達10-12—10-14量級，即30萬年——300萬年差1秒）。1967年第13屆國際計量大會正式通過決議，規(guī)定：“一秒等于133Cs原子基態(tài)兩超精細能級躍遷的9192631770個周期所持續(xù)的時間”。該時間基準，發(fā)展了高精度的測頻技術(shù)，大大有助于宇宙航行和空間探索，加速了現(xiàn)代微波技術(shù)和雷達、激光技術(shù)等的發(fā)展。而激光技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展又為長度計量提供了新的測試手段。
總之，在探討了近似計算在靜態(tài)分析中的應(yīng)用問題、納米電子技術(shù)急需解決的若干關(guān)鍵問題和交互式電子技術(shù)應(yīng)用手冊后，廣大科技工作者對電子技術(shù)在時間與頻率標準中的應(yīng)用知識的初步了解和認識。在當代高科技產(chǎn)業(yè)日漸繁榮，尖端信息普遍進入我們生活之中的同時，國家經(jīng)濟建設(shè)和和諧社會的構(gòu)建離不開我們科技工作者對新理論的學習和新技術(shù)的應(yīng)用，因此說，本文具有深刻的理論意義和廣泛的實際應(yīng)用價值是不足為虛的。
【參考文獻】
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2改進的措施
針對學生學習的現(xiàn)狀，首先強調(diào)《電子技術(shù)》課程的重要性，不必拘泥于教材的知識，以及電路內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，多強調(diào)元件、電路的功能和作用，以及在實踐調(diào)試中的注意事項。有條件的可以進行一體化教學，兩小節(jié)課程，第一小節(jié)理論講解，第二小節(jié)學生操作訓(xùn)練，增強了學生對電子元件和電路的感性認識，還可以熟練掌握萬用表、示波器、直流穩(wěn)壓電源、信號源等儀器儀表的操作，通過一體化教學使得教學目標明確，提高了教學效果。根據(jù)學生學習掌握的狀況，訓(xùn)練其創(chuàng)造性思維能力，根據(jù)電子技術(shù)的發(fā)展方向和學生的知識結(jié)構(gòu)進行科學合理的安排內(nèi)容。如適當引入數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP）、嵌入式技術(shù)（ARM）、電子設(shè)計自動化技術(shù)（EDA）技術(shù)，以及未來電子技術(shù)的發(fā)展方向微電子技術(shù)、納米電子技術(shù)。在當今日新月異的世界里，《電子技術(shù)》講授的內(nèi)容也應(yīng)該與時俱進，因此教師應(yīng)該不斷的學習新理論、新技術(shù)、新方法，使培養(yǎng)的學生畢業(yè)后盡快與社會同步接軌。還可以考慮引入PPT、視頻、動畫等教學方法及手段，突出重點、突出難點，提高教學效果。在實驗教學方面，在保證基本的實驗技能和操作能力培養(yǎng)的前提下，適當減少基礎(chǔ)性驗證實驗，增加設(shè)計性實驗內(nèi)容。如數(shù)字電路實驗中的智力競賽搶答裝置，它具有公共置0端和公共CP端；F2為雙4輸入與非門74LS20；F3是由74LS00組成的多諧振蕩器；F4是由74LS74組成的四分頻電路，F(xiàn)3、F4組成搶答電路中的CP時鐘脈沖源，搶答開始時，由主持人清除信號，按下復(fù)位開關(guān)S，74LS175的輸出Q1～Q4全為0，所有發(fā)光二極管LED均熄滅，當主持人宣布“搶答開始”后，首先作出判斷的參賽者立即按下開關(guān)，對應(yīng)的發(fā)光二極管點亮，同時，通過與非門F2送出信號鎖住其余三個搶答者的電路，不再接受其它信號，直到主持人再次清除信號為止。若學生掌握的操作技能，則學生就掌握了觸發(fā)器電路、邏輯門電路、振蕩器電路、分頻電路、時鐘電路、發(fā)光二極管電路等多個電路知識。做好《電子技術(shù)》教學還要重視師資隊伍建設(shè)，有了好的老師、好的教學方法、好的教學理念才能教出好的學生。應(yīng)該打破傳統(tǒng)的理論教學教師與實驗教學隊伍的界限，理論任課教師也應(yīng)該積極參與實驗教學、實驗項目的改造和實驗室建設(shè)，將理論教學與實踐教學有力地結(jié)合在一起，積極參與科研課題的申報與實施，使理論與實踐教學與時俱進。鼓勵教師參加一些權(quán)威部門組織的教學改革研討會，利用好假期時間參加一些國培項目，鼓勵教師深造學習，深入生產(chǎn)、建設(shè)、服務(wù)第一線，及時了解行業(yè)發(fā)展的動態(tài)，結(jié)合實踐教學開展科研活動，撰寫科研論文，不斷提高教學水平。教師的教學效果與考核相掛鉤，可以提高教師學習的積極性。近期，西安航空職業(yè)技術(shù)學院電子工程學院組織教師積極參與微課的制作與教學，取得了較好的教學效果。利用仿真軟件教學可以補充硬件教學資源的不足，節(jié)約教學經(jīng)費，使學生較容易的掌握各種儀器的基本使用方法、電路參數(shù)的測試方法，使每個人都能親自動手接觸電路，進行元件接線、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)測量并與理論計算結(jié)果進行對照，增強對電子線路的感性認識，提高教學效果?！峨娮泳€路》常用的教學仿真軟件有EWB、Protrus、Multisim、虛擬儀器等，為Protrus軟件連接的八路彩燈仿真效果圖。Protrus軟件連接的八路彩燈仿真效果圖重視學生社團的建設(shè)與發(fā)展。學生社團的成員們具有相同的興趣和愛好，他們來自不同的專業(yè)、不同的年級，知識結(jié)構(gòu)、能力結(jié)構(gòu)具有交叉性和互補性，可以按照自己的意圖和方案進行設(shè)計創(chuàng)新。此外，學生社團活動方式的實踐性與靈活性、自由寬松的氛圍、平等的師生關(guān)系都為實踐創(chuàng)新訓(xùn)練提供了有利的條件。西安航空職業(yè)技術(shù)學院電子工程學院電子俱樂部2003年5月成立，是在原來便民服務(wù)小組基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，本著“服務(wù)大家，提高自己”為宗旨，以鍛煉為主導(dǎo)、以求知為目標、發(fā)揚雷鋒精神、充實自己、服務(wù)于人的思想，適時開展義務(wù)維修活動，普及電子科普知識。社團經(jīng)過12多年的發(fā)展，現(xiàn)擁有創(chuàng)作部、維修部、電腦部、宣傳部、技術(shù)團等5個部門，300多名社員。電子俱樂部自成立以來，在學院、團委、電子工程學院等部門的領(lǐng)導(dǎo)及指導(dǎo)教師的關(guān)懷下，以及全體社員的共同努力下，多次在校園、社區(qū)開展便民電器義務(wù)維修活動，多次進行三下鄉(xiāng)電器義務(wù)維修、支教活動；以電子俱樂部成員們多次參見校園、省級、國家級電子技術(shù)類競賽，取得了驕人的成績。2006年電子俱樂部獲得了“省級優(yōu)秀社團”的光榮稱號，2007年、2010年電子俱樂部獲得“院級優(yōu)秀社團”的光榮稱號。對于課程的考核不應(yīng)該僅僅局限于期末考試筆試的成績，應(yīng)該增加平時成績的比例，老師可以參考學生平時的作業(yè)、實驗實訓(xùn)操作的情況，電子技術(shù)類競賽獲獎的學生成績可以適當加分，對現(xiàn)在的考核方式進行適當?shù)恼{(diào)整，可以激發(fā)學生學習的積極性與主動性。
當前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟、實用,實現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。
1.電力電子技術(shù)的發(fā)展
現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時的產(chǎn)物。
1.2逆變器時代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
2.現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術(shù)帶領(lǐng)人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關(guān)電源,率先完成計算機電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。
計算機技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關(guān)的設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關(guān)電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。預(yù)計到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關(guān)鍵的問題,也是用戶最關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關(guān)型高壓直流電源
大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設(shè)備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件,將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
3.高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術(shù)。
3.1高頻化
理論分析和實踐經(jīng)驗表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造,成為“開關(guān)變換類電源”,其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質(zhì)上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設(shè)計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設(shè)計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺新型的開關(guān)電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。另外,大功率的開關(guān)電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術(shù),所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復(fù)提供充分的時間。
3.3數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號來設(shè)計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計來說,模擬技術(shù)還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術(shù)的知識,但是對于智能化的開關(guān)電源,需要用計算機控制時,數(shù)字化技術(shù)就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色開關(guān)電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。
現(xiàn)代電力電子技術(shù)是開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著新型電力電子器件和適于更高開關(guān)頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn),現(xiàn)代電源技術(shù)將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)下,由于功率器件性能的限制而使開關(guān)電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關(guān)電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓撲和新型的控制技術(shù),可使功率開關(guān)工作在零電壓或零電流狀態(tài),從而可大大的提高工作頻率,提高開關(guān)電源工作效率,設(shè)計出性能優(yōu)良的開關(guān)電源。
總而言之,電力電子及開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標志著這些技術(shù)的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源,僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。
參考文獻
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現(xiàn)代電源技術(shù)是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件,綜合自動控制、計算機(微處理器)技術(shù)和電磁技術(shù)的多學科邊緣交又技術(shù)。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關(guān)鍵作用,是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用。
當前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟、實用,實現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。
1.電力電子技術(shù)的發(fā)展
現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時的產(chǎn)物。
1.2逆變器時代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
2.現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術(shù)帶領(lǐng)人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關(guān)電源,率先完成計算機電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。
計算機技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關(guān)的設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關(guān)電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。預(yù)計到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關(guān)鍵的問題,也是用戶最關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關(guān)型高壓直流電源
大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設(shè)備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件,將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?利用最新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
3.高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術(shù)。
3.1高頻化
理論分析和實踐經(jīng)驗表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造,成為"開關(guān)變換類電源",其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質(zhì)上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設(shè)計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設(shè)計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺新型的開關(guān)電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復(fù)提供充分的時間。3.3數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號來設(shè)計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術(shù)擬電路基礎(chǔ)上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計來說,模擬技術(shù)還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術(shù)的知識,但是對于智能化的開關(guān)電源,需要用計算機控制時,數(shù)字化技術(shù)就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。
總而言之,電力電子及開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標志著這些技術(shù)的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源,僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。
參考文獻：
1.1整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時的產(chǎn)物。
1.2逆變器時代
七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
2.現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術(shù)帶領(lǐng)人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關(guān)電源,率先完成計算機電源換代。接著開關(guān)電源技術(shù)相繼進人了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。
計算機技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關(guān)的設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關(guān)電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構(gòu),目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)來實現(xiàn)。
現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實現(xiàn)對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調(diào)速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動交流異步電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于90年代初期開始研究變頻空調(diào),96年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。預(yù)計到2000年左右將形成。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關(guān)鍵的問題,也是用戶最關(guān)心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析,達到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關(guān)型高壓直流電源
大功率開關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設(shè)備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關(guān)元件,將電源的開關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內(nèi)對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關(guān)電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?利用最新理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動機驅(qū)動電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。
3.高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關(guān)電源技術(shù),更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術(shù)。
3.1高頻化
理論分析和實踐經(jīng)驗表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造,成為"開關(guān)變換類電源",其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質(zhì)上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設(shè)計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設(shè)計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺新型的開關(guān)電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現(xiàn)單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復(fù)提供充分的時間。
3.3數(shù)字化
在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號來設(shè)計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術(shù)擬電路基礎(chǔ)上的。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計來說,模擬技術(shù)還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術(shù)的知識,但是對于智能化的開關(guān)電源,需要用計算機控制時,數(shù)字化技術(shù)就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。
總而言之,電力電子及開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標志著這些技術(shù)的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源,僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。
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